彈載超寬帶小型化陣列天線單元及陣列設(shè)計(jì)

張?zhí)焖? 楊麗娜 張文濤 稂華清

摘要： 通過(guò)天線單元中加載金屬化過(guò)孔及饋電端采取三級(jí)阻抗變換等一系列手段設(shè)計(jì)一種Vivaldi天線單元， 在5～11 GHz頻段內(nèi)駐波VSWR<2， 物理尺寸只有14 mm（寬度）×32 mm（高度）×1.07 mm（厚度）， 相比于傳統(tǒng)Vivaldi天線， 單元寬度尺寸減小了53%， 并通過(guò)對(duì)輻射貼片邊緣開(kāi)槽降低了天線E面耦合， 達(dá)到了超寬帶小型化的設(shè)計(jì)結(jié)果。 利用該單元設(shè)計(jì)了一個(gè)7×7的矩形陣列， 該陣列全頻帶內(nèi)掃描角度可達(dá)±60°， 滿足陣列天線設(shè)計(jì)要求， 可應(yīng)用于空空導(dǎo)彈彈載的超寬帶相控陣天線中。

關(guān)鍵詞： 超寬帶； 寬角掃描； 小型化； Vivaldi天線； 天線陣列； 相控陣

中圖分類號(hào)： TJ765.3+31； TN821+.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 1673-5048（2018）04-0089-06

0引言

在民用領(lǐng)域， 無(wú)線移動(dòng)通訊技術(shù)飛速發(fā)展， 為人們的生活提供了巨大的便利。 近年來(lái)， 各國(guó)研究人員在通訊設(shè)備小型化和寬頻化方面開(kāi)展了大量的研究工作。 在寬頻化天線設(shè)計(jì)方面， Leach M等人通過(guò)對(duì)超寬帶圓形天線增加貼片和改變背板設(shè)計(jì)等手段， 將基板的面積減小了20%， 優(yōu)化了低頻段匹配， 最終達(dá)到了在1.5～12 GHz頻段范圍內(nèi)回波損耗小于-10 dB[1]。 Mahmud M Z等人設(shè)計(jì)了一個(gè)用于微波成像的超寬帶貼片天線， 采用芙蓉花瓣形狀的輻射貼片和梯形地板， 該天線在3.01～11 GHz范圍內(nèi)的回波損耗小于-10 dB[2]。 在小型化天線設(shè)計(jì)方面， Chan H S等人設(shè)計(jì)了一種帶有寄生結(jié)構(gòu)的新型平面倒F天線， 該天線的物理尺寸為30 mm×15 mm×3 mm， 在3.0～6.5 GHz頻段內(nèi)的回波損耗小于-10 dB[3]。 在軍用領(lǐng)域， 隨著雷達(dá)、 探測(cè)、 預(yù)警、 制導(dǎo)以及電子對(duì)抗等技術(shù)的不斷發(fā)展， 促使電子設(shè)備向著小型化和寬頻帶方向發(fā)展。 尤其是空空導(dǎo)彈雷達(dá)導(dǎo)引頭部分由于其口徑尺寸較小和抗干擾的強(qiáng)烈需求， 小型化和寬頻帶的天線單元更具有研究的價(jià)值和必要性[4-5]。

Vivaldi天線是一種高增益、 寬頻帶的端射行波天線， 由于具備成本低、 易加工的特點(diǎn)， 得到廣泛的應(yīng)用和研究[6-8]。 傳統(tǒng)的Vivaldi天線的設(shè)計(jì)尺寸與工作頻帶密切相關(guān)， 寬度一般為最低頻點(diǎn)波長(zhǎng)的一半， 制約了天線單元的結(jié)構(gòu)小型化。 本文采用加載金屬化過(guò)孔和三級(jí)阻抗變換過(guò)渡饋電技術(shù)設(shè)計(jì)的Vivaldi天線作為陣列天線單元， 在5～11 GHz的頻帶內(nèi)， 駐波VSWR<2， 單元的尺寸只有14 mm×32 mm×1.07 mm， 滿足超寬帶小型化陣列天線單元的設(shè)計(jì)要求。

1天線單元設(shè)計(jì)

可以看出， 圖5（b）中的電場(chǎng)比圖5（a）中的電場(chǎng)更為集中， 電場(chǎng)強(qiáng)度也更大。

在緊耦合寬帶Vivaldi天線設(shè)計(jì)過(guò)程中， 由于地板的影響， 天線會(huì)在某些頻點(diǎn)和某些掃描角度出現(xiàn)短路點(diǎn)， 有些研究者通過(guò)頻率選擇表面來(lái)移除短路點(diǎn)[10-11]， 但是這會(huì)增加結(jié)構(gòu)上的復(fù)雜性， 本文通過(guò)加載金屬化過(guò)孔移除設(shè)計(jì)帶寬內(nèi)產(chǎn)生的短路點(diǎn)， 達(dá)到寬頻帶的設(shè)計(jì)目的。

設(shè)計(jì)的Vivaldi天線在低頻端屬于緊耦合天線， 其低頻端在E面存在較強(qiáng)互耦作用， 因此， 為了降低天線陣在E面的耦合， 在輻射貼片兩側(cè)開(kāi)矩形槽[12]。

圖6為不同開(kāi)槽高度時(shí)天線有源駐波的變化。 由圖可知， 當(dāng)slot_H=14.5 mm時(shí)， 天線的有源駐波小于1.8， 此時(shí)阻抗匹配情況最優(yōu)。 在天線中最鄰近兩單元之間的耦合作用最強(qiáng)烈。 為分析開(kāi)槽的去耦效果， 統(tǒng)計(jì)了不同頻率下開(kāi)槽與不開(kāi)槽的E面最鄰近兩個(gè)單元的耦合量， 如圖7所示。

由圖7可見(jiàn)， 開(kāi)槽后兩單元的耦合量相較未開(kāi)槽的耦合量下降明顯， 尤其在低頻端去耦效果非常顯著。 最終設(shè)計(jì)的天線單元物理尺寸為14 mm×32 mm×1.07 mm， 該天線單元的寬度只有設(shè)計(jì)的低頻端波長(zhǎng)（約60 mm）的7/30。

2天線單元仿真結(jié)果與分析

在天線陣列設(shè)計(jì)過(guò)程中， 為力求天線單元在天線陣列中仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性， 故仿真時(shí)將單元的邊界條件設(shè)為周期性邊界條件， 模擬天線單元在一個(gè)無(wú)限大的天線陣列中的情況。 圖8為天線單元仿真時(shí)邊界條件設(shè)定的仿真模型。

天線單元仿真時(shí)應(yīng)著重關(guān)注天線單元在不同剖面不同掃描角度下的單元有源駐波。 提取兩個(gè)主平面（φ=0°面和φ=90°面）在幾個(gè)典型掃描角度（θs=0°， 15°， 30°， 45°， 60°）下隨頻率變化的單元有源駐波如圖9所示。

由仿真結(jié)果可知， φ=0°面在掃描角θs=60°時(shí)， 在7.8～9.5 GHz范圍內(nèi)， 單元的有源駐波大于2小于2.4； 而φ=90°面在掃描角度θs=60°時(shí)， 在5～5.25 GHz范圍內(nèi)， 單元的有源駐波大于2小于2.3。 綜上可知， 在大掃描角度（θs=60°）下， 天線單元的有源駐波會(huì)在一些頻段增大到2以上， 但是大掃描角度下的有源駐波一般較大， 本文設(shè)計(jì)的天線單元有源駐波只在某些頻段大于2， 而且均控制在2.4以下， 性能相當(dāng)優(yōu)異。 通過(guò)對(duì)單元的有源駐波仿真， 天線單元在掃描過(guò)程中未出現(xiàn)掃描盲點(diǎn)， 可用于天線陣列仿真設(shè)計(jì)中。

3天線陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真結(jié)果

3.1中心單元仿真結(jié)果與分析

天線陣列總共有49個(gè)天線單元， 只將陣列中心的單元賦予激勵(lì)， 其他單元激勵(lì)值設(shè)為0， 仿真得到天線陣列中心單元方向圖， 該方向圖是考慮周圍其他單元耦合影響所得到的。 在5 GHz， 7 GHz， 9 GHz， 11 GHz各頻率點(diǎn)畫(huà)出中心單元的兩個(gè)主平面方向圖， 如圖11所示。

由圖11可以看出， 由于周圍單元對(duì)中心單元的耦合影響， 中心單元的方向圖會(huì)隨著掃描角度的變化出現(xiàn)不同程度的抖動(dòng)， 而且隨著頻率的增大， 方向圖頂部變得更加平坦， 在整個(gè)頻帶內(nèi)單元方向圖未發(fā)生畸變。 同時(shí)還可看出， 單元方向圖的3 dB波束寬度都非常寬， 因此， 該天線單元可以應(yīng)用于寬頻帶寬角度掃描天線陣列設(shè)計(jì)中。

3.2天線陣列仿真結(jié)果與分析

陣列中所有單元按照等幅激勵(lì)， 然后通過(guò)計(jì)算得到不同剖面不同掃描角度下各陣元對(duì)應(yīng)所需的相位值， 將所得相位值賦予每個(gè)相對(duì)應(yīng)的陣元， 得到兩個(gè)主平面和不同掃描角度（θs=0°， 10°， 20°， 30°， 40°， 50°， 60°）下全陣方向圖。 由于仿真的頻帶較寬， 故選擇三個(gè)典型頻點(diǎn)（低頻點(diǎn)5 GHz， 中頻點(diǎn)8 GHz， 高頻點(diǎn)11 GHz）的歸一化陣列掃描方向圖見(jiàn)圖12。

由圖12可知， 隨著頻率的增大， 方向圖的3 dB波束寬度從30°減小到15°； 方向圖第一副瓣的電平值有所抬升， 從-17 dB抬升到-12 dB。 陣列的波束指向也按照計(jì)算指向了預(yù)定的波位， 只是在大掃描角度時(shí)波束指向有所偏差， 這是由于按照理論計(jì)算得到相位未考慮陣列單元之間的耦合影響， 故產(chǎn)生了一些偏差。 隨著掃描角度的增大， 陣列的增益下降， 但未出現(xiàn)掃描盲點(diǎn)。 將不同頻點(diǎn)、 不同剖面、 不同掃描角度的增益進(jìn)行統(tǒng)計(jì)， 見(jiàn)圖13。

由圖13可知， 隨著頻率的增高， 陣列的增益值變大， 這是由于單元的高頻增益高于低頻增益。 由圖13（a）可知， 在高頻段8～11 GHz時(shí)， 在掃描角度大于45°時(shí)， 增益值下降較為迅速， 相較而言圖13（b）在高頻段增益值下降速度較緩， 但是二者增益下降的值較小， 可見(jiàn)該天線陣列可應(yīng)用于寬頻帶寬角掃描。

4結(jié)論

本文利用天線單元加載金屬化過(guò)孔和饋電帶狀線三級(jí)過(guò)渡等一系列手段設(shè)計(jì)了一個(gè)帶寬為5～11 GHz、 駐波VSWR<2的Vivaldi天線單元， 該單元的物理尺寸只有14 mm× 32 mm ×1.07 mm， 與傳統(tǒng)的Vivaldi天線單元相比， 該天線單元的寬度尺寸減少了53%， 達(dá)到了小型化寬頻帶的設(shè)計(jì)效果。 為降低該天線的E面耦合影響， 在天線單元之間增加了開(kāi)槽， 明顯降低了天線單元間的耦合。 利用該單元建立了7×7的矩形天線陣列， 通過(guò)對(duì)陣列仿真結(jié)果的分析， 天線陣列在5～11 GHz的頻帶范圍內(nèi)掃描的角度可達(dá)±60°， 證明該天線單元可應(yīng)用于寬頻帶寬角掃描的天線陣列設(shè)計(jì)中， 達(dá)到了設(shè)計(jì)的目的。 該天線單元及其組陣在寬頻帶寬角掃描及小型化方面有極其重要的工程應(yīng)用價(jià)值， 在對(duì)于尺寸較為敏感， 性能要求高的平臺(tái)上例如空空導(dǎo)彈導(dǎo)引頭、 衛(wèi)星通信等， 有著廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1] Leach M， Wang Z， Juans G， et al. UWB Antenna with Superior LowFrequency Performance[J].Microwave and Ooptical Technology Letters， 2016， 58（1）： 118-121.

[2] Mahmud M Z， Islam M T， Samsuzzaman M. A High Perfornance UWB Antenna Design for Microwave Imaging System[J]. Microwave and Optical Technology Letters， 2016， 58（8）： 1824-1831.

[3] Chan H S， AbdAlhameed R A， Hraga H I， et al. Design of a PIFA with Parasitic FElement Miniaturized Antenna Assembly for Lower Band UltraWideband and IEEE 802.11a Applications[J]. Microwave and Optical Technology Letters， 2011， 53（9）： 1970-1974.

[4] Barrett T. History of Ultra Wide Band （UWB） Radar Communication： Pioneers and Innovators[C]∥Progress in Electromagnetics Symposium， Cambridge， 2000： 50-53.

[5] 馬楊. 雷達(dá)系統(tǒng)抗干擾能力提高措施探究[J]. 中國(guó)新通信， 2017（10）： 94.

Ma Yang.Research on the AntiInterference Ability of Radar System[J]. China New Telecommunications， 2017（10）： 94.（in Chinese）

[6] 林存銀， 周以國(guó)， 李仲林. X波段寬帶Vivaldi相控陣天線的設(shè)計(jì)[J]. 電子測(cè)量技術(shù)， 2014， 37（8）： 19-23.

Lin Cunyin， Zhou Yiguo， Li Zhonglin.Design of an XBand Broadband Vivaldi Phased Array Antenna[J].Electronic Measurement Technology， 2014， 37（8）： 19-23.（in Chinese）

[7] 鄭靈， 曹軍， 陳嗣喬， 等. 一種低剖面Vivaldi天線的設(shè)計(jì)與仿真[J]. 電子科學(xué)技術(shù)， 2017， 4（3）： 61-63.

Zheng Ling， Cao Jun， Chen Siqiao， et al. Design and Simulation of a Low Profile Vivaldi Antenna[J].Electronic Science & Technology， 2017， 4（3）： 61-63.（in Chinese）

[8] 袁晶， 王元源， 華根瑞. 超寬帶Vivaldi陣列天線設(shè)計(jì)[J]. 火控雷達(dá)技術(shù)， 2012， 4（4）： 80-84.

Yuan Jing， Wang Yuanyuan， Hua Genrui.Design of Ultra WideBand Vivaldi Array Antenna[J].Fire Control Radar Technology， 2012， 4（4）： 80-84.（in Chinese）

[9] Gibson P J. The Vivaldi Aerial[C]∥ Procceedings of the 9th European Microwave Conference， Brighton， 1979： 101-105.

[10] 劉爽， 張帥， 龔書(shū)喜. 一種超寬帶緊耦合天線設(shè)計(jì)[J]. 微波學(xué)報(bào)， 2016（S1）： 162-164.

Liu Shuang， Zhang Shuai， Gong Shuxi. UltraWideband Tightly Coupled Antenna[J].Journal of Microwaves， 2016（S1）： 162-164.（in Chinese）

[11] 胡志慧， 姜永華， 凌祥. 基于電阻型頻率選擇表面的超寬帶緊耦合陣列[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào)， 2013， 28（6）： 1144-1151.

Hu Zhihui， Jiang Yonghua， Ling Xiang.UltraWideband Tightly Coupled Array with Resistive Frequency Selective Surface[J]. Chinese Journal of Radio Science， 2013， 28（6）： 1144-1151.（in Chinese）

[12] 紀(jì)濤， 盧新棟. 基于U形槽陷波的共面波導(dǎo)超寬帶天線[J]. 航空兵器， 2014（1）： 21-25.

Ji Tao， Lu Xindong. A BandNotched CPW UWB Antenna with UShaped Slot[J].Aero Weaponry， 2014（1）： 21-25.（in Chinese）

[13] 張光義， 趙玉潔. 相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)[M]. 北京： 電子工業(yè)出版社， 2010.

Zhang Guangyi， Zhao Yujie. Phased Radar Technology[M]. Beijing： Publishing House of Electronics Industry， 2010. （in Chinese）

Abstract： This paper describes a design of a Vivaldi antenna unit which uses a series of methods such as adding metalized hole in antenna unit and using a threelevel impedance transformation at the feeding port. The voltage standing wave ratio （VSWR） of the antenna unit is less than 2 at 5～11 GHz bandwidth and the physical size is only 14 mm（width）× 32 mm（height）× 1.07 mm（thickness）. The width size of designed antenna unit is decreased by 53% compared with the traditional Vivaldi antenna. The coupling performance of antenna Eplane is lowered by cutting slot at the edge of the radiation patch. Thus， a miniaturized array antenna unit with ultrawideband is achieved. A 7×7 rectangular antenna array is designed by using this unit， and the scanning angle of the array could achieve ±60° in the entire bandwidth which meets the design requirements of the antenna array. This antenna unit can be used in missileborne ultrawideband phased array antenna.

Key words： ultrawideband； wide angle scanning； miniaturization； Vivaldi antenna； antenna array； phased array